1. Электрические заряды. Закон сохранения заряда. Закон Кулона

Электрический заряд характеризует способность тела к определенному взаимодействию. Еще в древности было замечено, что янтарь, потертый о шерсть приобретает способность притягивать к себе легкие тела. Экспериментально установлено, что: 1) существует два вида зарядов, условно названные положительные и отрицательные; 2) одноименно заряженные тела

отталкиваются, разноименно – притягиваются. Явление возникновения зарядов у тел называется электризацией.

При тесном контакте двух тел электроны могут переходить с

поверхности одного тела на поверхность другого – электризация через соприкосновение. Трение двух тел только увеличивает поверхность соприкосновения. При электризации заряжаются оба тела с зарядами равными по величине и противоположными по знаку.

Электрические заряды не создаются и не исчезают, а только передаются от одного тела к другому или перераспределяются внутри одного тела (суммарный заряд изолированной системы не изменяется).

Из обобщения опытных данных был установлен фундаментальный закон при­роды, экспериментально подтвержденный в 1843 г. английским физиком М. Фараде­ем (1791 —1867),— закон сохранения за­ряда: алгебраическая сумма электриче­ских зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы.

Закон Кулона. Сила взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных частиц в вакууме пропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Сила F направлена по прямой, соеди­няющей взаимодействующие заряды, т. е. является центральной, и соответству­ет притяжению (F<0) в случае разно­именных зарядов и отталкиванию (F>0) в случае одноименных зарядов. Эта сила называется кулоновской силой.

F₁₂— сила, действующая на заряд Q₁ со стороны заряда Q₂, r₁₂ — радиус-век­тор, соединяющий заряд Q₂ с зарядом Q₁, r= |r₁₂| (рис. 117). На заряд Q₂ со сторо­ны заряда Q₁ действует сила F₂₁=-F₁₂, т. е. взаимодействие электрических точеч­ных зарядов удовлетворяет третьему за­кону Ньютона.

В СИ коэффициент пропорционально­сти равен

k=1/(4₀).

Тогда закон Кулона запишется в оконча­тельном виде:

2.Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля. Принцип суперпозиции. Электрический диполь. Поле диполя.

Если в пространство, окружающее элек­трический заряд, внести другой заряд, то на него будет действовать кулоновская сила; значит, в пространстве, окружаю­щем электрические заряды, существует силовое поле - одна из форм существования материи, посредством которого осуществляются оп­ределенные взаимодействия между макротелами или частицами, вхо­дящими в состав вещества. Поле, создаваемое неподвижным электриче­ским зарядом называются электроста­тическими.

Для обнаружения и опытного исследо­вания электростатического поля использу­ется пробный точечный положительный заряд — такой заряд, который не искажа­ет исследуемое поле. Если в поле, создаваемое зарядом Q, по­местить пробный заряд Q₀, то на него действует сила F, различная в разных точках поля, которая, согласно закону Ку­лона, пропорциональна пробному заряду Q₀. Поэтому отношение F/Q₀ не зависит от Q₀ и характеризует электриче­ское поле в той точке, где пробный заряд находится. Эта величина называется на­пряженностью и является силовой харак­теристикой электростатического поля.

Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая вели­чина, определяемая силой, действующей на единичный положительный заряд, по­мещенный в эту точку поля:

E=F/Q₀.

Как следует из формул E=F/Q₀ и напряженность поля точечного заряда в скалярной форме

Направление вектора Е совпадает с на­правлением силы, действующей на поло­жительный заряд. Если поле создается положительным зарядом, то вектор Е на­правлен вдоль радиуса-вектора от заряда во внешнее пространство (отталкивание пробного положительного заряда); если поле создается отрицательным зарядом, то вектор Е направлен к заряду.

Единица напряженности электростати­ческого поля — Н/Кл: 1 Н/Кл — напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1 Кл действует с силой в 1 Н; 1 Н/Кл=1 В/м, где В (вольт) — единица потенциала электростатического поля.

F=Q₀E

F_i,=Q₀E_i,

где Е—напряженность результирующего по­ля, а Е_i — напряженность поля, создавае­мого зарядом Q_i. Тогда получаем

-эта формула выражает принцип су­перпозиции (наложения) электростатиче­ских полей, напряженность электростатического поля системой точечных зарядов,равна сумма напряженностей полей каждых из этих зарядов в отдельности.

Принцип суперпозиции позволяет рас­считать электростатические поля любой системы неподвижных зарядов, поскольку если заряды не точечные, то их можно всегда свести к совокупности точечных зарядов.

Число линий напря­женности, пронизывающих элементарную единичную площадку dS, нормаль n которой образует угол  с вектором Е, называется потоком вектора напряженности Ф_E.

dФ_E=E_ndS = EdS= ЕdScos, где Е_n — проекция вектора Е на нормаль n к площадке dS (рис. 121).

Единица потока вектора напряженно­сти электростатического поля— 1 В•м.

Для произвольной замкнутой повер­хности S поток вектора Е через эту по­верхность

где интеграл берется по замкнутой по­верхности S. Поток вектора Е является алгебраической величиной: зависит не только от конфигурации поля Е, но и от выбора направления нормали к площадке dS. Для замкнутых поверхностей за положительное направле­ние нормали принимается внешняя нор­маль, т. е. нормаль, направленная наружу области, охватываемой поверхностью.

Электрический ди­поль — система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов, расстояние l между которыми зна­чительно меньше расстояния до рассмат­риваемых точек поля.

Вектор, направлен­ный по оси диполя (прямой, проходящей через оба заряда) от отрицательного за­ряда к положительному и равный расстоя­нию между ними, называется плечом дипо­ля l. Вектор ,совпадающий по направлению с плечом диполя и равный произведению заряда

|Q| на плечо l, называется электрическим моментом диполя р или дипольным мо­ментом.